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        應(yīng)用于信道產(chǎn)品中混頻器的簡(jiǎn)單分析

        2020-06-15 06:06:34王燕君
        數(shù)字通信世界 2020年5期
        關(guān)鍵詞:混頻器三階電平

        王燕君,肖 琳

        (中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所,成都 610036)

        0 引言

        隨著通信系統(tǒng)的發(fā)展,混頻器廣泛的應(yīng)用于各種通信設(shè)備中,如超外差接收機(jī),就是利用混頻將接收到的高頻信號(hào)變成一個(gè)固定的中頻信號(hào),再進(jìn)行放大,從而使接收機(jī)的靈敏度和選擇性大大提高。此外,在發(fā)射機(jī)里也要利用混頻器來(lái)改變載頻,混頻是個(gè)典型的頻譜搬移過(guò)程,這個(gè)過(guò)程在實(shí)際生產(chǎn)中通過(guò)非線性器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。常用的混頻器有晶體管混頻器和場(chǎng)效應(yīng)管混頻器,在實(shí)際生產(chǎn)中用得最多的是晶體管雙平衡混頻器。

        1 雙平衡混頻器(DBM)分析

        圖1為雙平衡混頻器的原理圖,該混頻器采用了四個(gè)特性相同的混頻二極管接成環(huán)形。本振和信號(hào)通過(guò)變壓器耦合,將不平衡的輸入變換為平衡的輸出,再加到二極管橋路的兩對(duì)角上。中頻從本振或信號(hào)輸入變壓器的中心點(diǎn)引出。

        圖1 雙平衡混頻器原理圖

        由本振偶次諧波差拍產(chǎn)生的電流在中頻負(fù)載上互相抵消,而由本振奇次諧波差拍產(chǎn)生的電流在中頻負(fù)載上互相疊加。由本振奇次諧波差拍產(chǎn)生的電流出現(xiàn)在中頻端,而由本振偶次諧波差拍產(chǎn)生的電流出現(xiàn)在信號(hào)輸入端。這是雙平衡混頻器的重要特點(diǎn)。

        2 混頻器重要指標(biāo)

        2.1 變頻損耗

        混頻器的變頻損耗是其最基本的一個(gè)指標(biāo),對(duì)接收機(jī)而言,混頻器變頻損耗直接影響到接收機(jī)的接收靈敏度,變頻損耗增大了,變頻后的中頻信號(hào)變小,噪聲電平抬高,使輸出信噪比降低,接收靈敏度降低。對(duì)發(fā)射機(jī)而言,混頻器變頻損耗也直接影響發(fā)射的功率,從而影響電臺(tái)通信距離。

        影響混頻器變頻損耗有幾個(gè),通常使用的混頻器一般帶寬都很寬,其變頻損耗在很寬的頻帶內(nèi)會(huì)有一些波動(dòng),因此,在器件選型的時(shí)候要盡量選擇合適的混頻器,使用其變頻損耗波動(dòng)小的頻段。另外,如果本振驅(qū)動(dòng)不夠的話,變頻損耗也會(huì)增加,生產(chǎn)中信道產(chǎn)品上常用的混頻器都是+7dBm 本振驅(qū)動(dòng)(現(xiàn)有的混頻器本振驅(qū)動(dòng)有:+7dBm,+10dBm,+13dBm,+17dBm,+23dBm,+27dBm),該類(lèi)混頻器在本振輸入0dBm 以上情況下都能夠正常工作,變頻損耗幾乎也不會(huì)受影響。

        2.2 1dB 壓縮點(diǎn)

        混頻器的1dB 壓縮點(diǎn)反映了混頻器的線性程度,它對(duì)比較混頻器間的動(dòng)態(tài)范圍、最大輸出功率、互調(diào)等非常有用。輸入信號(hào)超過(guò)混頻器的壓縮點(diǎn)后,輸出中頻達(dá)到一個(gè)最大的或完全飽和的功率,即1分貝壓縮點(diǎn)輸出功率(P1dB),信號(hào)的失真度也逐漸變大。

        圖2列出了不同本振驅(qū)動(dòng)的混頻器的1dB 壓縮點(diǎn),電臺(tái)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中常用的TUF-3,TUF-5等型號(hào)混頻器的1dB 壓縮點(diǎn)都在1dBm,實(shí)際應(yīng)用中其輸入RF 都未超過(guò)1dBm,故不會(huì)對(duì)收發(fā)信號(hào)的失真度產(chǎn)生影響。

        圖2 不同本振驅(qū)動(dòng)的混頻器的1dB壓縮點(diǎn)

        2.3 輸入輸出截點(diǎn)(IP)與互調(diào)

        混頻器的截點(diǎn)是設(shè)計(jì)電路時(shí)應(yīng)該著重考慮的一個(gè)指標(biāo)。當(dāng)兩個(gè)或多正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻器時(shí),此時(shí)由于混頻器的非線性作用,會(huì)輸出多種頻率分量,其中以雙音三階互調(diào)分量的功率電平最大,RF增加1dB,互調(diào)分量會(huì)增加3dB,它是非線性中的三次項(xiàng)產(chǎn)生的,假設(shè)兩基頻信號(hào)的頻率分別是F1和F2,那么,三階互調(diào)分量的頻率為2F1-F2和2F2-F1,由于該頻率落在頻帶內(nèi),是非線性產(chǎn)物?;祛l器的輸入/輸出三階截點(diǎn)就是具體指三階諧波與輸入端基波電平相同時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入/輸出功率電平,如圖3所示。它在不同頻段有所不同,在混頻器的Low 頻段,IP3比1dB 壓縮點(diǎn)高15dB左右,在Mid 頻段和Upper 頻段,IP3比1dB 壓縮點(diǎn)高10dB 左右。

        根據(jù)混頻器的3階截點(diǎn)和其射頻輸入幅度及頻率可以照下述方法計(jì)算其輸出三階互調(diào)(IM3):

        ①找出混頻器的1dB 壓縮點(diǎn)。

        ②確定該混頻器在使用頻率上的IP3。③算出射頻輸入幅度和IP3的差值,再用該差值乘以諧波的階數(shù)3。

        ④用IP3減去3)中的結(jié)果,差值即為輸出三階互調(diào)(IM3)。

        用上述方法可以計(jì)算在某接收機(jī)和發(fā)射機(jī)中混頻器輸出的三階互調(diào)。

        設(shè)已知某激勵(lì)模塊中混頻器(TUF-5)輸入RFin 為-20dBm(兩個(gè)干擾射頻等幅輸入),其使用頻率在混頻器的Low 頻段??捎?jì)算出該混頻器輸出三階互調(diào)的電平值。

        解:1dB 壓縮點(diǎn)根據(jù)查上表得到,其值為1dBm

        IP3=1dBm+15dBm=16dBm

        (IP3-RFin)*3=[16dBm-(-20dBm)]*3=108dBm

        16dBm-108dBm=-124dBm

        經(jīng)實(shí)際測(cè)試,某激勵(lì)模塊中混頻器輸入端頻譜純凈,故對(duì)該它來(lái)說(shuō),不用考慮其雙音三階互調(diào)的影響。

        圖3 三階諧波與輸入端基波電平相同時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入/輸出功率電平

        2.4 組合頻率干擾

        混頻器的輸入端的信號(hào)電壓與本振電壓產(chǎn)生混頻作用后,在輸出端除了有fI±fC 外,如果還有其他的組合頻率分量也落在中頻濾波器的通頻帶內(nèi),即pfL-qfc=±fI±Δf0.7,則它們和有用的中頻信號(hào)一樣,可以通過(guò)后面的中頻放大器放大。在接收機(jī)中,經(jīng)過(guò)后端檢波器的非線性變換,就會(huì)產(chǎn)生差拍信號(hào),接收機(jī)輸出端就會(huì)聽(tīng)到一種干擾哨聲。在發(fā)射機(jī)里,就會(huì)使輸出雜散變大,發(fā)射信號(hào)的頻譜變差。

        例如:126 電臺(tái)激勵(lì)模塊中中頻為898.144MHz,發(fā)射300MHz 頻點(diǎn)時(shí),其本振頻率為1198.144MHz,輸出300MHz信號(hào)在(300±1.856)MHz 處出現(xiàn)一較大雜散,雜散抑制比為68dBc。該雜散即為上式中p 和q 恰好取到某個(gè)值而產(chǎn)生出的組合頻率干擾。p,q 的組合如下:

        1198.144MHz×4-898.144MHz×5=300MHz-1.856MHz

        898.144MHz×3-1198.144MHz×2=300MHz+1.856MHz

        因此,要合理地選擇中頻頻率,將產(chǎn)生干擾最強(qiáng)的干擾哨聲頻率移到接收/發(fā)射頻段外,可大大減小這種影響。

        3 一種性能良好的場(chǎng)效應(yīng)管(FET)混頻器

        無(wú)源FET 混頻器,有許多優(yōu)點(diǎn)超過(guò)了有源混頻器和二極管雙平衡混頻器(DBM)。它的動(dòng)態(tài)范圍和線性非常好,超過(guò)了DBM,并且IP3非常高(30dBm 以上),沒(méi)有1/fnoise,噪聲小,只有FET 自身的熱噪音等優(yōu)點(diǎn)。圖4為雙平衡場(chǎng)效應(yīng)管混頻器示意圖。

        圖4雙平衡場(chǎng)效應(yīng)管混頻器

        由于該類(lèi)混頻器的線性非常好,輸出諧波成分??;三個(gè)端口都采用了平衡設(shè)計(jì),R-L 隔離度更好。我們使用此類(lèi)混頻器代替2.4中126激勵(lì)模塊的混頻器TUF-5進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得到很好的效果。300MHz 頻點(diǎn)的雜散抑制比達(dá)到75dBc 以上,比晶體管組成的雙平衡混頻器提高了7dB。

        如果采用雙環(huán)三平衡FET 混頻器,其性能要更優(yōu),但其在成本和體積上將有所增加,需綜合考慮。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        隨著無(wú)線通信市場(chǎng)份額的不斷增加,信道產(chǎn)品中接收機(jī)與發(fā)射機(jī)的性能很大程度上依賴(lài)于混頻器件。各種新型設(shè)計(jì)的混頻器漸漸出現(xiàn),在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的過(guò)程中,需要深入學(xué)習(xí),選擇適合自己電路的混頻器。

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